NRG-1/ErbB信号通路对缺血心肌微循环系统葡萄糖代谢的调控作用及机制研究

Abnormal energy metabolism of ischemic myocardium serves as an important intermediate from myocardial infarction to heart failure. Cardiac microcirculation is an essential site for energy metabolism, where NRG-1/ErbB signaling proves to be a key transmitter between endothelial cell-cardiomyocyte “crosstalk”. Our preliminary studies revealed that NRG-1β could promote glucose uptake and utilization, and reduce oxidative stress injury in ischemic myocardium. In addition, it played different roles between endothelial cells and cardiomyocytes. Hence we hypothesize that NRG-1/ErbB signaling might modulate ischemic myocardial energy metabolism pattern, facilitate the metabolic switch preferring glucose metabolism, promote aerobic oxidation, distribute the limited oxygen efficiently, thus alleviating heart failure. In the present project, we plan to perform exogenous administration of NRG-1 and endogenous deletion of NRG-1 in in vivo and in vitro cardiac ischemia models, and in endothelial cell-cardiomyocyte co-culture system, which simulating in vitro microcirculation; in order to study the modulating effects of NRG-1/ErbB signaling on glucose metabolism in ischemic myocardium by means of morphology observation, metabolic functional assessment and molecular detection. Meanwhile, we will further clarify its regulating mechanisms via interfering its downstream PI3K/Akt and ERK1/2 pathways. The results might provide new therapeutic target for ameliorating cardiac energy metabolism post myocardial infarction.

心肌能量代谢异常是心肌梗死进展为心力衰竭的重要中间环节。心脏微循环系统是能量代谢的主要场所，而NRG-1/ErbB则是内皮细胞与心肌细胞间重要的信号传递分子。本课题组前期研究发现NRG-1β具有促进缺血心肌葡萄糖摄取与利用、减少氧化应激损伤的作用，且在内皮细胞与心肌细胞中作用方式并不完全相同。由此我们提出假说：NRG-1/ErbB信号通过调控缺血心肌能量代谢方式，使之优先利用葡萄糖作为代谢底物，促进有氧氧化，使有限的氧供合理分配，延缓心力衰竭进展。本项目拟从动物水平和细胞水平构建心肌缺血缺氧模型，以内皮细胞与心肌细胞共培养模拟微循环系统；通过外源性NRG-1刺激或内源性抑制NRG-1表达，从形态学、功能学、分子学等不同角度研究NRG-1/ErbB信号对缺血心肌葡萄糖代谢的调控作用；并对其下游PI3K/Akt及ERK1/2通路进行干预，阐明作用机制，为改善心梗后心脏能量代谢提供新的干预靶点。

本项目以缺血心肌能量代谢障碍这一临床热点问题为切入点，聚焦NRG-1/ErbB 信号，提出NRG-1/ErbB 信号通路参与调控心肌葡萄糖代谢，从而保护缺血心肌，逆转心脏重构。本项目分为动物实验和细胞实验两部分。.（1）动物实验：通过结扎心脏左前降支构建小鼠心肌梗死模型，观察不同干预条件下心肌葡萄糖代谢及心功能改善的影响。结果显示，外源性给予NRG-1β干预可显著改善心梗后小鼠心功能、葡萄糖摄取、抑制心肌纤维化和心肌细胞凋亡、促进微血管新生和ATP生成。上调p-ErbB2、p-ErbB4、p-Akt等蛋白磷酸化表达，同时GLUT-4、PGC-1α、HK2、PDH、CS等葡萄糖转运、糖酵解、葡萄糖有氧氧化等相关蛋白和基因亦显著上调；该作用被PI3K/Akt抑制剂（LY294002）所阻断。而NRG-1基因敲除小鼠上述作用被显著抑制。.（2）细胞实验：构建心肌细胞和心脏微血管内皮细胞（CMECs）两种细胞的缺氧模型。结果显示：①NRG-1β减缓了缺氧诱导的心肌细胞凋亡，促进缺氧心肌细胞葡萄糖摄取及ATP生成，上调p-ErbB2与p-Akt的磷酸化表达，上调Glut-4、HK2、PDH、CS等蛋白和基因表达，该作用被LY294002所阻断。②NRG-1β促进缺氧CMECs迁移能力和成血管能力，促进缺氧CMECs葡萄糖摄取，显著上调Glut-4、HK2、PFK-1等表达，而PDH、CS表达并无显著改变，上述作用亦被LY294002所阻断。该结果提示NRG-1β仅促进缺氧CMECs葡萄糖酵解，而对葡萄糖有氧氧化并无显著作用。. 本项目结果证实了NRG-1/ErbB信号具有改善缺血心肌葡萄糖代谢的作用，其中PI3K/Akt通路是其重要的介导途径；同时，NRG-1/ErbB信号介导了缺氧状态下心肌细胞和心脏微血管内皮细胞两种不同细胞不同的葡萄糖代谢方式，前者促进葡萄糖有氧氧化，后者促进葡萄糖酵解，这样可以使有限的氧供合理分配与利用，从而提高心脏工作效率。NRG-1/ErbB信号在微循环系统不同的空间（微血管内皮细胞与心肌细胞）与时间（葡萄糖代谢的不同环节）发挥其特有的调控作用，该研究结果为临床改善心肌梗死后心脏能量代谢提供新的研究思路和干预靶点，具有很好的科学意义和应用前景。